Dois Físicos Dividem o Prêmio Nobel Pela Descoberta do Higgs

Foto de Englert: Pnicolet via Wikimedia Commons | Foto de Higgs: G-M Greuel via Wikimedia Commons | Imagem composta por Lalena Lancaster

(ISNS) – O Prêmio Nobel de Física de 2013 foi concedido ao cientista belga François Englert e ao cientista britânico Peter W. Higgs “pela descoberta teórica de um mecanismo que contribui para nossa compreensão da origem da massa das partículas subatômicas e que foi recentemente confirmado pela descoberta da partícula fundamental prevista, pelos experimentos ATLAS e CMS do Large Hadron Collider do CERN”.

Em 1964, Englert, em conjunto com um colega já falecido, Robert Brout, e Higgs publicaram, independentemente, artigos que davam uma explicação sobre como algumas partículas subatômicas, tais como elétrons e quarks, adquirem massa. Segundo seu trabalho teórico, essas partículas intergiriam com um campo invisível, existente no universo, agora conhecido como o Mecanismo de Higgs, para adquirirem suas massas. Em 4 de julho de 2012, dois grupos de pesquisas no Large Hadron Collider (LHC), no laboratório do CERN de física de partículas na Europa anunciaram a detecção de uma partícula que, como mais tarde foi confirmado, vem desse campo invisível.

“Ambos [os teóricos] fizeram uma contribuição para a explicação da origem da massa e estas contribuições não podem ser individualizadas. Afinal, o que eles fizeram foi essencial para o Modelo Padrão da Física de Partículas”, declarou Olga Botner, da Universidade de Uppsala na Suécia, ao anunciar o prêmio.

“Não surpresa alguma”, comento Drew Baden, um físico da Universidade de Maryland, em College Park, “e é uma história realmente interessante”.

Há cinquenta anos, os físicos enfrentavam um enorme problema. Eles sabiam que o universo era composto por partículas fundamentais, tais como elétrons, prótons e nêutrons, que serviam como peças para a montagem da matéria. Estas partículas eram governadas por forças, tais como o eletromagnetismo, que as punham em movimento. Entretanto, este Modelo Padrão da física de partículas tinha sérias limitações. Ele não podia explicar porque alguns objetos — tais como os elétrons — tinham massa e outros, tais como os fótons, não tinham. Pelo Modelo Padrão de 1963, nada teria massa e zuniria pelo universo afora na velocidade da luz. Não seria possível a formação de átomos e moléculas e as estrelas, planetas, galáxias e as pessoas não poderiam existir.

É aí que entra em cena um grupo de teóricos — físicos que pretendem descrever a natureza através da matemática — para resolver o problema de porque certas partículas no universo têm massa, enquanto outras não.

A resposta veio com a percepção de que o universo está imerso em campos. Por exemplo, o campo eletromagnético permeia o espaço e faz com que objetos com carga positiva sejam atraídos por outros com carga negativa. As forças eletromagnéticas são exercidas entre os objetos através da troca de fótons.

Na década de 1960, vários teóricos descobriram independentemente que tinham a solução para o enigma das massas para o Modelo Padrão. A solução que eles apresentaram envolvia a existência de outro campo invisível, agora conhecido como Campo de Higgs. Algumas partículas, tais como os fótons, não são afetadas por ele enquanto o atravessam. Outras, tais como os elétrons, experimentam uma resistência a seu movimento, ou inércia, o que lhes confere massa.

“Até a descoberta do Higgs, não havia um fiapo de indício experimental”, comenta Baden, um físico da equipe do CMS no LHC. Em lugar disso, segundo ele, o conceito todo veio de uma solução matemática para um problema, que mostrava como as partículas poderiam adquirir massa.

Vários teóricos descobriram a solução de Higgs. Primeiro, Englert e seu colega Brout, publicaram um artigo que previa esse campo invisível. Peter Higgs, de maneira independente, publicou um artigo que previa que uma partícula, que veio a ser denominada Bóson de Higgs, poderia ser emitida pelo campo, tal como os fótons são emitidos pelo campo eletromagnético. Outro grupo de teóricos, Gerald Guralnik, C. Richard Hagen e Tom Kibble, porteriormente publicaram independentemente um artigo que predizia o mesmo mecanismo.

Baden disse que a premiação simultânea para Englert e Higgs “uma solução de compromisso muito bonita”, assim como o reconhecimento dos experimentais do LHC que detectaram a partícula. Englert e Higgs “puseram a bola em movimento” quanto à ideia da existência de um campo invisível que permeia o espaço.

Ao longo de décadas, o Higgs permaneceu como a peça que faltava no Modelo Padrão. Ele explciava porque algumas partículas fundamentais tinham massa. No entanto, ele era incrivelmente difícil de detectar. Segundo as previsões, o próprio Higgs tinha massa. E ele era muito pesado, muito mais pesado do que qualquer outra partícula fundamental até então detectada. Para extrair uma partícula do campo de Higgs é necessária uma enorme quantidade de energia.

Somente depois da construção pelo CERN do LHC que os físicos puderam extrair de modo confiável as partículas de Higgs desse campo invisível. O LHC começou a funcionar em 2008.

O LHC acelera feixes de 500 trilhões de prótons — as partículas positivamente carregadas do núcleo dos átomos — até 99,99999 % da velocidade da luz, ou seja, uma energia de 4 teraeletron-volts, ou TeV. É o equivalente à energia de um trem em  disparada, concentrada em um raio de prótons subatômicos. O LHC esmaga dois desses feixes, um de encontro ao outro, para criar jorros de partículas. A famosa equação de Einstein, E=mc², diz que a energia pode ser convertida em massa e vice versa. A partir da pura energia dessa colisão, podem emergir novas partículas, totalmente diferentes dos prótons iniciais.

Em 4 de julho de 2012, os físicos das duas colaborações experimentais do LHC, ATLAS e CMS, anunciaram que tinham confirmado a existência de uma partícula parecida com o previsto Higgs. Sua massa aproximada era de 125 gigaelectron volts, ou GeV, muito maior do que qualquer outra partícula fundamental e cerca de 100 vezes mais pesada do que um próton. Durante o último ano, os cientistas confirmaram que  partículas observada era mesmo o Higgs. Dados anteriores, obtidos pelo acelerador Tevatron do Laboratório Nacional Fermi, também confirmavam alguns indícios da existência desta partícula.

Porém, com a confirmação do Higgs, os enigmas do universo estão longe de estarem solucionados. Embora o Higgs possa ser a última peça principal do Modelo Padrão, os físicos entendem que o Modelo Padrão ainda está incompleto. Por exemplo, ele só descreve três das quatro forças fundamentais do universo e deixa de fora a gravidade.

“Em minha opinião, o principal e mais fundamental problema ainda não resolvido, apesar de alguns progressos, é o problema da gravidade quântica, a quantização da gravidade”, declarou Englert, em uma coletiva de imprensa, imediatamente após o anúncio do Prêmio Nobel de 2013.

Englert também lembrou as questões da supersimetria, matéria escura e energia escura, mistérios que ainda estão por resolver.

O Modelo Padrão somente descreve a matéria comum do universo, o que agora se supõe compreender apenas um quinto da matéria existente no universo. Ele não prevê a matéria escura invisível, nem a energia escura, que foram o objeto do Prêmio Nobel de Física em 2011.

Peter Higgs não foi entrevistado quando do anúncio do Nobel por estar em gozo de férias.

Então, os teóricos e experimentalistas continuam com um monte de questões para responder. As soluções para essas questões provavelmente serão objetos dos próximos Prêmios Nobel de Física.

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Ben P. Stein, diretor do Inside Science, vem cobrindo a física como escritor de ciências e editor desde 1991.